El acuífero de Doñana como un sistema ecológico estructura y función de sus comunidades microbianas

Resumen

Los acuíferos han sido históricamente muy importantes porque han constituido la base para el desarrollo socioeconómico de muchas civilizaciones debido a que proveen numerosos bienes y servicios ligados fundamentalmente a su concepción como formaciones geológicas capaces de almacenar y transmitir agua en grandes cantidades. Debido a ello, los acuíferos han sido tradicionalmente estudiados desde un punto de vista exclusivamente hidrogeológico, siendo considerados como simples embalses subterráneos. En este sentido, de entre todos los ecosistemas presentes en la superficie terrestre o bajo la corteza de nuestro planeta, los aspectos biológicos y ecológicos de las aguas subterráneas, en particular, y de los acuíferos, en general, son los menos explorados y conocidos. Este hecho es realmente sorprendente si se tiene en cuenta que más del 97% de todo el agua planetaria no marina y que no está helada se encuentra formando parte de los acuíferos, pero es que hasta hace poco más de treinta años se pensaba que la biosfera no se extendía más allá de unos pocos centímetros por debajo de la rizosfera. Sin embargo, la aproximación al estudio de los sistemas acuíferos ha cambiado radicalmente en las últimas tres décadas, pasando de ser exclusivamente hidrogeológica a poseer una perspectiva bastante más ecológica. Como consecuencia, actualmente, desde el punto de vista de la ecología, los acuíferos son considerados como un conjunto heterogéneo de microhábitats y macrohábitats que proporcionan una gran cantidad de condiciones diferentes para el desarrollo de las comunidades biológicas, fundamentalmente microbianas. Desde un punto de vista ecológico, los acuíferos, al menos los más someros, deben ser reconocidos como sistemas abiertos que interaccionan e intercambian permanentemente materia y energía con otros sistemas, tanto acuáticos como terrestres, que se localizan en sus proximidades y que pueden ser superficiales o subterráneos. El trabajo de esta tesis doctoral se ha centrado en el acuífero de Doñana, donde nunca antes se había abordado el estudio de las aguas subterráneas desde una perspectiva ecológica. En este sentido, el objetivo general de la tesis ha sido el de conocer y describir el papel ecológico de las comunidades microbianas del acuífero de Doñana a través de la determinación de variables estructurales (abundancia bacteriana, biomasa celular y biomasa bacteriana) y de variables funcionales (grupos funcionales, biomasa microbiana activa, producción bacteriana de carbono, tasa bacteriana de crecimiento, actividades enzimáticas extracelulares, diversidad microbiana); para ello se llevó a cabo una aproximación intensiva en varios piezómetros localizados en los alrededores de cuatro humedales y una aproximación extensiva que englobaba un área de unos 100 km2, considerando al acuífero como un ecosistema y no simplemente como un embalse de agua subterránea. La hipótesis general de trabajo de esta tesis doctoral ha sido la de considerar que las comunidades microbianas del acuífero de Doñana son abundantes y activas, aunque relativamente estables debido a las pequeñas oscilaciones que suelen presentar algunas variables ambientales en los sistemas subterráneos, tales como la temperatura o el oxigeno disuelto; las variables que determinan tanto la estructura como la función de estas comunidades microbianas dependerán en gran medida de las relaciones entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales, al menos en la parte más somera de este sistema acuífero. El estudio a lo largo de dos años de las variables estructurales de las comunidades microbianas subterráneas en los alrededores de cuatro lagunas muy productivas en Doñana demostró la existencia de diferencias muy significativas en la abundancia y en la biomasa microbianas entre 1 piezómetros (puntos de muestreo), estaciones (del año) y piezómetros × estaciones. Además, también puso de manifiesto que tanto la temperatura como el oxígeno disuelto parecen ser dos de las principales variables que controlan el patrón temporal de distribución de las comunidades microbianas planctónicas del acuífero. La conexión hidrológica entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales pareció tener un control fundamental en la distribución espaciotemporal de las comunidades microbianas del acuífero. Debido a esta conexión hidrológica, el sistema acuífero y los humedales constituyen una única entidad, un único ecosistema, llamado hidroecosistema, en el que las comunidades microbianas juegan un papel ecológico central. El trabajo que se centró en el estudio de la estructura de las comunidades microbianas del acuífero de Doñana a lo largo de diferentes escalas espaciales y temporales puso de manifiesto que las bacterias del hierro muestran las mayores actividades de entre todos los grupos funcionales estudiados. Además, de entre las variables que generalmente controlan la distribución espacial en las comunidades microbianas de los sistemas acuíferos, la profundidad no pareció poseer un efecto relevante en este acuífero, al menos en el rango de profundidades estudiado, aunque el tamaño de grano, probablemente debido a sus efectos directos sobre algunas variables hidrogeológicas, tales como la permeabilidad o la porosidad, pareció ejercer un moderado control, sobre todo en términos de abundancia bacteriana, no tanto de biomasa. Finalmente, se encontraron igualmente diferencias estacionales en las medias de las variables microbiológicas estructurales, pequeñas eso sí aunque estadísticamente significativas; la temperatura parece ser la variable que más control ejerce en la distribución temporal de las comunidades microbianas en este sistema acuífero. El análisis de la función de las comunidades microbianas en las aguas subterráneas de Doñana mostró que variables como la producción bacteriana de carbono, la biomasa activa o la eficiencia de crecimiento bacteriano presentan patrones espaciotemporales claros. La temperatura y los nutrientes parecieron ser factores importantes que ejercen cierto control sobre estos patrones. Sin embargo, los flujos hidrológicos, tanto locales como regionales, son los que realmente controlan estos patrones espaciotemporales, probablemente porque la distribución de los nutrientes en los sistemas acuíferos está determinada principalmente por estos flujos hidrológicos. Las conexiones hidrológicas entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales en Doñana permiten pensar que ambos compartimentos hídricos forman una única entidad (llamada hidroecosistema) que funciona como un todo. Como consecuencia, parece que no solamente los procesos microbianos que se desarrollan en las aguas superficiales pueden influir en los procesos ecológicos de las aguas subterráneas, sino que las características de las aguas superficiales, y también sus procesos ecológicos, pueden verse afectadas por procesos químicos que se llevan a cabo en el acuífero, mediados, entre otros, por la actividad de las comunidades microbianas que aquí habitan. Otras variables funcionales que aportan gran información acerca del funcionamiento de los sistemas ecológicos dominados por comunidades microbianas son las actividades enzimáticas extracelulares (AEE). En este caso, ni la temperatura, ni el oxígeno dicuelto, ni el pH mostraron correlaciones con las AEE, lo que sugiere que otras variables controlan esas AEE. Otros factores, como por ejemplo diferentes fuentes de materia orgánica y de nutrientes, parecieron ejercer una influencia importante en los patrones espaciotemporales mostrados por las AEE. Las proporciones entre las AEE, consideradas como una medida de la percepción microbiana de los nutrientes, variaron a lo largo de las diferentes estaciones como consecuencia de la acción conjunta de varias variables, entre las que la calidad de la materia orgánica parece tener un papel relevante. En este sentido es el fósforo el elemento que más limita el crecimiento de las comunidades microbianas del acuífero, y por tanto el desarrollo normal de los procesos ecológicos que éstas llevan a cabo. Teniendo en cuenta los flujos 2 hidrológicos que conectan las aguas superficiales y las subterráneas, el papel ecológico que juegan las comunidades microbianas de los sistemas acuíferos en los procesos de reciclado de materia orgánica y nutrientes, así como las AEE medidas en las aguas subterráneas de Doñana, esta tesis doctoral propone que las comunidades microbianas que habitan este sistema acuífero continúan con los procesos de descomposición que comienzan en los sedimentos de las lagunas de Doñana, aportan nutrientes y compuestos remineralizados de carbono a niveles tróficos mayores y juegan, por tanto, un papel ecológico fundamental en los ciclos biogeoquímicos de materiales en el Gran Ecosistema Litoral de Doñana (GED). La diversidad metabólica y filogenética de las aguas subterráneas de Doñana fue estudiada en dos puntos del acuífero, uno somero y otro profundo, mediante técnicas de amplificación, clonación y secuenciación de genes de ARNr 16S. La diversidad bacteriana fue mayor en la muestra del piezómetro somero, incluyéndose miembros de Proteobacteria, Acidobacteria, Planctomycetes, Nitrospirae, algunas líneas divergentes de las divisiones candidatas SPAM, OP3, OP11, `Endomicrobiota¿ o Grupo 1 Termita y un nuevo nivel de división que incluye bacterias desnitrificantes asociadas a arqueas anaeróbicas oxidadoras de metano, mientras que únicamente miembros de Proteobacteria y Firmicutes fueron detectados en la muestra del piezómetro profundo. Por el contrario, las arqueas fueron mucho más diversas en la muestra del piezómetro profundo, con miembros de Methanomicrobiales, miembros relacionados con ANME-2 Methanosarcinales y algunas otras líneas divergentes, mientras que solamente miembros del Grupo I Crenarchaeota fueron detectados en la muestra del piezómetro más somero. Betaproteobacteria fue el grupo más abundante en ambas muestras, junto con Gammaproteobacteria en la muestra del piezómetro más profundo y salino S56. Se detectaron microorganismos potencialmente relacionados con los ciclos del carbono, azufre y nitrógeno. El hecho de que se hayan encontrado en la misma muestra microorganismos oxidadores de metano tanto aerobios (Alpha- y Gammaproteobacteria) como anaerobios (arqueas ANME2) es muy interesante debido a que es la primera vez que se describe una situación tal en sistemas subsuperficiales. La interpretación conjunta de los datos que se han obtenido en esta tesis doctoral, que resulta pionera y abre una nueva línea de investigación en España, permite afirmar que las aguas subterráneas de Doñana no deben ser solamente consideradas como un reservorio de agua ni ser examinadas únicamente desde un punto de vista hidrogeológico, sino que deben ser descritas como un compartimento básico en el funcionamiento ecológico de todo el GED, formando parte del hidroecosistema de Doñana. En estas aguas subterráneas se desarrollan unas comunidades microbianas funcionalmente activas que son capaces de generar y remineralizar materia orgánica, capturar y liberar nutrientes y provocar cambios en los estados de óxidoreducción de diferentes formas químicas. Gracias a la conectividad hidrológica existente entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales, se produce un intercambio de estas formas en ambas direcciones, lo que confirma la necesidad de abordar el estudio del hidroecosistema de Doñana como un único sistema ecológico a la hora de elaborar planes de gestión de sus recursos hídricos. En este sentido, las comunidades microbianas del sistema acuífero de Doñana poseen un papel ecológico muy significativo en el funcionamiento general del GED, de una importancia muy similar a la que tienen las comunidades microbianas que habitan los sedimentos someros de los humedales hipogénicos de Doñana. Además, los resultados obtenidos en este trabajo apuntan a que el papel ecológico que juegan los microorganismos de las aguas subterráneas en Doñana en relación con los ecosistemas superficiales tiene la misma importancia que el que juegan los microorganismos de las aguas de los 3 medios hiporréicos en relación con los sistemas acuáticos lóticos con los que están hidrológicamente conectados. 4